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2024년 12월 14일 (토) 01:23 판

Portable Compact FDM 3D Printer
과즙미애
학교	서울시립대학교
학과	기계정보공학과
학번 및 성명	20194300**	고**[1]
	20194300**	유**
	20194300**	이**
	20194300**	정 *

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 휴대용 소형 FDM 3D 프린터

영문 : Portable Compact FDM 3D Printer

과제 팀명

과즙미애

지도교수

윤민호 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 고**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 유**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 이**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 정*

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

이 개발 과제의 목표는 휴대용 FDM 방식 3D 프린터를 설계하고 제작하는 것이다. 기존 3D 프린터의 3축 직선 운동 중 1축 또는 2축을 회전운동으로 변경하여 기구부를 단순화하고 소형화한다. 이를 통해 가방에 넣을 수 있을 정도로 크기를 줄인다. 기구 설계와 함께 G-code를 펌웨어에서 변환 및 최적화하여 새로운 좌표계에서도 적층 품질을 유지하면서 출력 시간을 단축한다. Flutter 프레임워크로 모바일 애플리케이션을 개발하고, 블루투스 통신을 통해 스마트폰으로 3D 프린터를 원격 제어 및 실시간 모니터링할 수 있게 한다. 이러한 하드웨어와 소프트웨어의 통합을 통해 전쟁, 재난 상황, 우주와 같은 특수한 환경에서도 필요한 부품을 신속하게 제작할 수 있는 휴대성 높은 3D 프린터를 개발한다.

개발 과제의 배경 및 효과

• 개발 배경

다품종 소량생산이 시장에 보편화됨에 따라 CNC가공, 레이저컷팅, 3D프린팅을 활용한 가공방식이 널리 활용되고 있다. 그 중에서도 3D프린팅은 복잡한 형상을 제작할 수 있으며 제작 단가가 저렴해 다양한 산업에서 급부상 중이다. 현재 로보틱스 연구실에서 출전하는 ‘자율주행 로봇레이스’에서 사용하는 ERP-42 플랫폼에도 3D프린팅으로 가공한 부품들이 사용되고 있다. 이 부품들은 하중을 많이 받지 않는 구조물로 쓰이고 있으나, 사고 등으로 인해 파손될 위험이 존재한다. PLA와 같은 플라스틱 소재는 금속과 달리 재가공이 어렵다. 따라서 3D프린팅으로 가공한 부품이 파손되거나 변형될 시 다시 출력하는 것 외에는 해결 방안이 없다. 하지만 3D프린터가 현장에 없다면 부품을 출력하고 운송하기 위해 오랜 시간과 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.

• 기대 효과

본 팀은 휴대가 가능한 FDM방식의 3D프린터를 제작함으로써 개발 배경에 상기된 문제를 해결하고자 한다. 시중에도 휴대용 3D 프린터가 존재하지만, 그 크기가 커서 큰 수트 케이스에 담아 운반해야 할 정도로 휴대성이 떨어진다(그림 1). 이는 3D 프린터의 3축이 모두 직선 운동을 하는 액추에이터를 사용해야 하는 구조적 한계에서 비롯된다. 따라서 3축 중의 1축 혹은 2축을 직선운동에서 회전운동으로 바꾼다면 그 구조가 단순해져 더욱 소형화할 수 있다. 이를 통해 3D프린터를 가방에 넣을 수 있을 만큼 소형화한다면 어디든 가지고 다닐 수 있을 만큼 휴대성이 높아질 것이다. 이러한 목표를 달성한 제품이 개발된다면 일반적인 환경뿐만 아니라 우주, 재난 상황, 전쟁과 같은 짐을 많이 챙길 수 없는 상황에서도 활용될 수 있다. 3D프린팅의 시장이 커지고 활용도가 높아지는 현재, 휴대성을 높인 3D프린터는 충분한 경쟁력을 가질 수 있을 것이다.

휴대 가능한 3D 프린터

개발 과제의 목표 및 내용

• 개발 목표

1. 소형화
   3D 프린터를 일반적인 백팩에 들어갈 수 있을 정도로 소형화하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 기존 FDM 방식 3D 프린터의 3축 직선운동 중 x축과 y축을 회전운동으로 변경하여 메커니즘을 단순화한다. 또한, 모듈화 및 가변성을 통해 기구를 접거나 분리할 수 있도록 설계하여 보관 및 이동 시 크기를 최소화한다. 전자부품(SMPS, 아두이노 등)은 소형화가 어려우므로 제품 크기 산정에서 제외한다.
2. G-code 해석 및 최적화
   기존 G-code를 그대로 사용하는 대신 펌웨어 단계에서 G-code를 분석하고 변환하여 소형화된 프린터의 새로운 메커니즘에 맞는 최적화된 명령을 생성한다. 특히 직교좌표계를 원통좌표계로 변환하여 이동 경로를 재구성하고, 노즐 이동을 최소화하여 출력 정밀도와 속도를 향상시킨다. 또한, 모터의 가속도와 속도를 최적화하여 출력 품질을 유지하면서도 출력 시간을 단축한다.
3. 사용자 친화적인 모바일 애플리케이션 개발
   3D 프린터의 휴대성을 강조하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 통해 프린터를 제어할 수 있도록 한다. PC나 고가의 제어 보드 사용을 배제하고, Flutter 프레임워크를 사용해 iOS와 Android에서 모두 동작 가능한 앱을 구현한다. 블루투스 기반의 무선 통신을 사용하여 인터넷 연결이 어려운 환경에서도 실시간으로 프린터를 제어하고 모니터링할 수 있도록 설계한다.

• 개발 내용

1. 소형화
   소형화를 위해 기존 3D 프린터의 3축 직선운동 중 X, Y축을 회전운동으로 변경하는 방식을 도입한다.
   첫 번째 후보로 5-bar 메커니즘을 활용하여 두 축 모두 회전운동으로 변환하며, 이는 두 개의 모터와 다섯개의 링크만으로 간단히 제작 가능하다. 이 방식은 제작 비용이 낮고 제품 크기를 크게 줄일 수 있는 장점이 있지만, 링크의 유격과 무게로 인한 처짐 문제로 출력 품질에 영향을 미칠 수 있다.
   
   

   5-bar 메커니즘
   
   두 번째 후보는 타워크레인과 유사하게 한 개의 회전운동과 한 개의 직선운동을 결합한 방식으로, 기존 G-code를 원통좌표계로 변환하여 대응 가능하며, 구조적으로 견고하여 무거운 익스트루더를 사용해도 변형이 적다. 단, 구조가 복잡하여 소형화 시 접을 수 있도록 설계가 필요하다. 또한, 두 방식 모두 기구의 모듈화를 통해 보관 및 운반 시 각 부품을 접거나 분리하여 크기를 더욱 줄이고 유지보수성을 높인다.
   
   

   타워크레인
2. G-code 해석 및 최적화
   소형화된 프린터의 새로운 메커니즘에 맞게 G-code를 최적화한다. 직교좌표계를 원통좌표계로 변환하여 이동 경로를 재구성하고, 펌웨어 단계에서 G-code를 분석하여 이동을 최소화하고 출력 순서를 재배열함으로써 출력 정밀도를 유지한다. 특히 펌웨어는 G-code의 속도 파라미터와 모터 가속도를 기반으로 명령을 최적화하여 출력 품질에 영향을 주지 않으면서도 출력 시간을 단축한다. 또한, 이동 경로를 단순화하고 불필요한 이동을 제거하여 소형화된 프린터의 물리적 제약을 극복한다.
3. 모바일 애플리케이션 개발
   Flutter를 활용하여 iOS와 Android에서 모두 동작 가능한 모바일 애플리케이션을 개발하며, 3D 프린터의 원격 제어와 실시간 모니터링을 주요 기능으로 포함한다. 사용자는 앱을 통해 프린터를 시작, 정지, 일시 중지할 수 있으며, 3D 모델 파일을 업로드하고 관리할 수 있다. 또한, 프린팅 속도와 온도 설정을 조정할 수 있는 기능을 제공한다. 블루투스 기반 통신을 채택하여 인터넷 연결 없이도 안정적으로 프린터와 연결할 수 있으며, 저전력 기술을 통해 에너지 효율성을 높인다. 이 앱은 휴대성이 강조된 제품 컨셉에 맞게 설계되어 사용자 경험을 극대화한다.

관련 기술의 현황

State of art

1. 소형화 및 경량화
   현재 휴대용 FDM 3D 프린터 시장은 극도의 소형화와 경량화를 향해 빠르게 발전하고 있다. 최신 모델들은 기존 데스크톱 버전에 비해 크기와 무게를 50-70%가량 줄이는데 성공했다[5][8].
   - 크기: 일부 선도적인 모델들은 접었을 때 노트북 크기(약 30x20x5cm) 수준으로 소형화되었다.
   - 무게: 가장 가벼운 모델은 900g에서 1.2kg 사이로, 일반적인 노트북과 비슷한 무게를 달성했다.
   - 휴대성: 대부분의 모델이 전용 케이스나 백팩과 함께 제공되어 이동성을 극대화하고 있다.
2. 배터리 구동 및 전력 효율성
   배터리 기술의 발전과 함께, 휴대용 3D 프린터의 전력 효율성도 크게 향상되었다[5][7].
   - 배터리 수명: 최신 모델들은 한 번의 충전으로 4-6시간의 연속 프린팅이 가능하다.
   - 전력 효율성: 저전력 모터와 최적화된 발열 관리 시스템을 통해 전력 소비를 20-30% 줄이는데 성공했다.
   - 급속 충전: 일부 모델은 USB-C PD(Power Delivery) 기술을 채택하여 1시간 이내에 80% 이상 충전이 가능하다.
   - 대체 전원: 태양광 패널이나 보조 배터리를 통한 충전 옵션을 제공하여 장기간 야외 사용을 지원한다.
3. 내구성 및 강건성 향상
   극한 환경에서의 사용을 고려한 설계가 강화되고 있다[5][8].
   - 내충격성: 일부 선도적 모델들은 MIL-STD-810G 군사 규격을 만족시키는 수준의 내충격성을 갖추고 있다.
   - 방수/방진: IP65 혹은 그 이상의 방수/방진 등급을 획득한 모델들이 등장하고 있다.
   - 내열성: -20°C에서 50°C 사이의 극단적인 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있는 모델들이 개발되었다.
4. 스마트폰 연동 및 원격 제어
   IoT 기술의 발전과 함께, 휴대용 3D 프린터의 스마트 기능도 크게 강화되고 있다[4][5].
   - 무선 연결: 대부분의 모델이 Wi-Fi와 Bluetooth 5.0 이상을 지원하여 안정적인 무선 연결을 제공한다.
   - 클라우드 통합: 클라우드 기반의 모델 라이브러리와 연동하여 언제 어디서나 프린팅 모델에 접근할 수 있다.
   - 실시간 모니터링: HD 카메라와 AI 분석을 통해 프린팅 과정을 실시간으로 모니터링하고 오류를 감지한다.
   - 음성 제어: 일부 고급 모델은 음성 인식 기능을 탑재하여 핸즈프리 작동을 지원한다.
5. 다양한 소재 지원
   휴대용이라는 제약에도 불구하고, 소재 지원 범위가 크게 확대되고 있다[4][7].
   - 표준 소재: PLA, ABS, PETG 등 기본적인 필라멘트 외에도 나일론, TPU, PC 등 고급 소재를 지원한다.
   - 복합 소재: 금속, 목재, 탄소 섬유 등이 혼합된 복합 필라멘트 사용이 가능한 모델들이 등장했다.
   - 유연한 익스트루더: 다양한 소재에 대응할 수 있는 유연한 익스트루더 설계가 적용되고 있다.
   - 다중 소재 프린팅: 일부 고급 모델은 2종 이상의 소재를 동시에 사용할 수 있는 듀얼 익스트루더를 채택했다.
6. 자동 보정 및 캘리브레이션
   정밀도 향상과 사용 편의성 제고를 위한 자동화 기술이 적극 도입되고 있다[5][8].
   - 자동 레벨링: 대부분의 모델이 자동 베드 레벨링 기능을 탑재하여 초기 설정 시간을 크게 줄였다.
   - 실시간 보정: 프린팅 과정 중 실시간으로 Z축 높이를 미세 조정하는 기술이 적용되고 있다.
   - AI 기반 품질 관리: 머신 러닝 알고리즘을 활용해 프린팅 품질을 실시간으로 분석하고 보정하는 시스템이 도입되고 있다.
   - 자가 진단: 센서와 AI를 활용한 자가 진단 시스템으로 유지보수 필요성을 사전에 알려준다.
   

기술 로드맵

특허조사

1. 국내 특허(KIPRIS)

항목	휴대용 3D프린터 (A Portable 3D Printer)	휴대용 3D 프린터 (PORTABLE 3D PRINTER)	휴대용 3차원 프린터 (Portable 3D Printer)
특허번호	10-2017-0073484	10-1613628	10-2016-0006059
사진
특징	•상판, 하판이 각각 270°씩 회전하고, 베드가 90° 회전하여 일자로 접히는 구조 •직선운동 방식 •스마트폰과 유선 연결하여 사용함	•우산이 접히는 방식으로 중앙 연결 부재에 연결 링크가 결합되어 전개되고 절첩되는 방식 •델타 방식 •베드를 따로 보관해야 함	•Z축 이동부가 상단 케이스와 결합되어 접힐 수 있는 구조 •직선운동 방식 •현재 상용화된 제품과 가장 유사함
법적 상태	등록	소멸	소멸

2. 해외 특허(Google Patent)

항목	Portable 3D Printer	Portable 3D Printer
특허번호	KR101840753B1	US10300651B2
사진
특징	• 프레임을 모듈화하여 분해하여 휴대하는 방식 • 직선운동 방식 • 다단 체결을 고려함	• Z축 가이드를 분리하여 휴대하는 구조 • 직선운동 방식 • 원가 절감에 초점을 맞춤
법적 상태	등록	소멸

‘휴대용 3D 프린터’, ‘Portable 3D Printer’을 키워드로 하여 특허를 조사한 결과 위와 같은 결과가 도출되었다. 기존의 특허들은 대부분 직선운동(Cartesian) 방식이며 델타 방식을 사용하는 특허도 있었다. 다만 본 팀에서 제안하는 5-bar 혹은 Parallel SCARA 방식의 3D 프린터는 휴대용 3D 프린터 분야를 제외하더라도 특허 자체가 존재하지 않았다. 출력물의 크기, 3D 프린터의 크기 등은 정확히 명시되지 않았으나 내부 부품들의 크기를 고려한다면 상용화된 휴대용 3D 프린터의 크기와 대부분 비슷할 것으로 판단된다.

특허전략

현재 등록된 특허 중 본 팀에서 사용하고자 하는 5-bar 혹은 Parallel SCARA 방식의 3D 프린터는 존재하지 않았다. 따라서 3D 프린터에 이러한 매커니즘을 차용한 것을 청구항으로 제시한다면 특허 등록에 유리하게 작용할 것이다. 또한, 스마트폰 어플리케이션을 사용하여 블루투스 통신을 통해 3D 프린터를 제어하는 특허 역시 없었으므로 이러한 특징 역시 특허 등록에 유리하게 작용될 것이다. 앞선 내용들을 통해 정리한 특허의 청구항과 특허전략은 다음과 같이 제시할 수 있다.

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

개발하고자 하는 휴대용 소형 FDM 3D 프린터와 시장에 존재하는 경쟁 제품들을 비교하여 특징과 성능을 분석하였다. 비교 대상 제품은 Portable V1, Tronxy Crux 1 Mini, SMART3D MINI 3D 프린터이다.

1. 비교 분석 표

항목	Portable V1 [1]	Tronxy Crux 1 Mini [9]	SMART3D MINI 3D 프린터 [10]	개발 예정 제품
사진
크기 (접었을 때)	455x355x120mm	462x246x410mm	188x188x198mm	200x120x300mm
무게	14kg	5.8kg	1.5kg	7kg 이하
노즐 방식	Cartesian	Cartesian	Mendel	Parallel SCARA
최대 출력 크기	180x180x160mm	180x180x180mm	90x110x110mm	150x150x150mm
프린팅 속도	최대 80mm/s	20~150mm/s	10~40mm/s	미정
제어 방식	LCD 창	터치패널	단일 버튼 조작	모바일 앱
데이터 입력	SD 카드	SD 카드	SD 카드	모바일 앱
휴대 방법	가방형 접이식	손잡이	박스형	케이스형 접이식
가격대	150만 원~200만 원	24만 원	18만 원	미정

2. 경쟁 제품 분석

위의 표를 통해 경쟁 제품의 특징과 성능을 분석하였다.
Portable V1은 가방형 접이식 구조로 설계되어 휴대성을 강조했지만, 크기(455x355x120mm)와 무게(14kg)가 상당하여 실제 휴대에는 한계가 있었다. 또한 150만 원에서 200만 원의 높은 가격대로 판매되었으며, 현재는 판매가 중단되었다.
Tronxy Crux 1 Mini는 상단에 손잡이가 있어 근거리 이동이 편리하지만 크기(462x246x410mm)와 무게(5.8kg)로 인해 완전한 휴대용으로 보기에는 무리가 있다. 다양한 필라멘트를 지원하고 최대 150mm/s의 빠른 프린팅 속도를 제공하며, 24만 원의 가격대로 가성비가 뛰어나다.
SMART3D MINI 3D 프린터는 크기(188x188x198mm)와 무게(1.5kg)로 매우 작고 가벼워 휴대성이 뛰어나다. 그러나 프린팅 속도가 10~40mm/s로 느리고 출력물의 크기가 작다. 또한, 조작 인터페이스가 단일 버튼으로 제한되어 있어 세밀한 제어가 어렵다. 가격은 18만 원으로 저렴하다.

마케팅 전략 제시

1. SWOT 분석

2. SWOT 전략

Strengths (강점)

개발 예정 제품은 경쟁 제품 대비 소형화와 경량화를 극대화하여 휴대성을 크게 향상시킨 설계가 특징이다. 특히 크기와 무게를 줄여 이동이 간편한 점을 마케팅에서 주요 강점으로 활용할 계획이다. 또한, Parallel SCARA 메커니즘을 도입함으로써 기기의 부피를 최소화하고 휴대성을 극대화하는 동시에, 기존의 3축 방식에서의 제약을 극복하였다. 이러한 기술적 차별성을 통해 기계적 우수성을 강조할 것이다. 개발 예정 제품은 기존의 LCD 창이나 단순 터치패널 방식이 아닌 모바일 애플리케이션을 통한 원격 제어와 실시간 모니터링 기능을 제공하여 사용 편의성을 개선한다.

Weaknesses (약점)

Parallel SCARA 메커니즘은 휴대성 측면에서는 강점이 있지만, 구조적 특성으로 인해 내구성 면에서 약점을 가질 수 있다. 이를 보완하기 위해 내구성을 강화하기 위한 방안을 모색하고, 전용 케이스를 통해 보관 시 제품의 변형을 방지하는 방안을 마련할 계획이다. 추가적으로 최대 출력 크기는 기기의 크기에 비례해서 작아지는 문제가 있으나, 가능한 출력 크기 내에서 효율적인 설계를 통해 최대한의 공간 활용도를 제공한다.

Opportunities (기회)

휴대용 3D 프린터에 대한 수요가 증가하고 있는 상황에서, 개발 예정 제품은 교육기관 및 취미 활동가들을 대상으로 한 마케팅 캠페인을 통해 시장 진입을 확대할 수 있다. 최근 교육 및 창작 활동에서 소형 3D 프린터의 활용도가 높아지고 있다. 또한, 군사 분야에서도 응급 부품 제작에 활용될 수 있는 가능성을 부각시켜 관련 기관에 홍보할 예정이다. 특히 컴팩트한 크기와 휴대성을 강조하여 학교 수업과 군사 훈련 등에서 창의적이고 실용적인 사용 사례를 만들어내어 시장 경쟁력을 높인다.

Threats (위협)

개발 예정 제품의 가격 민감도 문제는 시장 내 주요 경쟁 제품들이 저렴한 가격으로 제공되고 있기 때문에 초기 비용이 높은 제품으로서 소비자에게 부담이 될 수 있다. 또한, 기술적 진보의 속도가 빠른 3D 프린터 시장에서 뒤처지지 않기 위해 지속적인 연구 개발을 통해 제품을 개선하고, 배터리 적용 등으로 더욱 혁신적인 휴대용 3D 프린터를 개발하여 경쟁력을 강화한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 소형화 및 경량화를 통한 혁신성
   기존 FDM 3D 프린터와 비교하여, Parallel SCARA 메커니즘을 도입해 기구부의 부피를 크게 줄였다. 덕분에 휴대성이 극대화되었으며, 다양한 환경에서의 사용이 가능해진다. SCARA 방식은 기존 Cartesian 방식보다 간단한 프레임 구조를 사용해 더 작고 가벼운 프린터를 구현할 수 있다. 기존 시장 제품들의 경우, 전체 크기 대비 최대 출력 크기 비율이 Portable V1은 26.75%, Tronxy Crux 1 Mini는 12.52%, SMART MINI 3D 프린터는 15.56%인데 반해서 개발 예정 제품은 전체 크기 200 x 120 x 300 mm에 최대 출력 크기 150 x 150 x 150 mm를 제공하여, 전체 크기 대비 출력 크기 비율이 약 46.88%로 효율적인 공간 활용이 가능하다.
   
2. 프린팅 효율성
   SCARA 프린터의 링크형 팔 구조는 X-Y 축에서 빠르고 유연한 움직임을 가능하게 하며, 이를 통해 출력 속도를 크게 향상시키고 프린팅 시간을 단축할 수 있다. 예를 들어, SCARA 메커니즘이 적용된 일부 3D 프린터는 최대 300mm/s의 출력 속도를 제공할 수 있다[11]. 물론, 이러한 높은 속도에서는 출력 품질이 다소 떨어질 수 있지만, 120mm/s 정도의 속도에서는 우수한 출력 품질을 유지하면서도 대부분의 Cartesian 방식의 3D 프린터보다 빠르게 작업을 완료할 수 있다. 이처럼 SCARA 방식은 높은 기동성과 효율성을 제공하여 전체적인 출력 시간을 줄일 수 있는 것이 큰 장점이다.
   
3. 원격 제어 및 실시간 모니터링
   블루투스 통신을 기반으로 스마트폰 애플리케이션을 통해 3D 프린터를 원격 제어할 수 있으며, 실시간 모니터링이 가능하다. 이는 사용자가 다양한 장소에서 프린터를 제어할 수 있게 하며, 관리 편의성을 크게 개선한다. 기존 시중의 프린터는 대부분 LCD 디스플레이, 터치패널, 단일 버튼 조작 방식을 사용해 현장에서만 조작이 가능하며, 원격에서 상태를 확인하기 어렵고 직관적이지 않다는 단점이 있다. 또한 SD 카드를 사용해 G-code 파일을 전송해야 하는 번거로움이 있는데, 개발 예정 제품은 모바일 앱을 통해 작업을 원격으로 처리할 수 있으며, G-code 파일을 바로 업로드하고 제어할 수 있어 훨씬 편리하게 사용이 가능하다.

경제적 및 사회적 파급효과

1. 긴급 상황에서의 신속한 대응 및 비용 절감
   긴급한 상황에서 3D 프린터는 필수 부품을 신속히 제작할 수 있어 재난 현장, 의료 응급 상황, 원격지 작업 등에서 비용과 시간을 절감하는 데 기여한다. 예를 들어, 긴급히 필요한 장비나 부품을 현장에서 직접 출력함으로써 외부 조달에 의존하는 것보다 더 빠르고 경제적으로 해결할 수 있다. 실제로, 국방부에 따르면 군 당국은 2015년부터 2020년까지 총 6만 6871점의 부품을 자체 제작해 약 65억의 예산을 절감한 사례가 있다[12]. 이를 통해 사회적 안전망을 강화하고, 필수 자원 확보를 통한 비용 절감 효과가 발생한다.
   
2. 소규모 비즈니스 및 개인 사용자 지원
   소규모 창업자들과 개인 사용자들은 이 소형 FDM 3D 프린터를 활용해 시제품 제작이나 맞춤형 제품 제작에 사용할 수 있다. 특히 소규모 생산이 필요한 경우, 직접 제품을 출력함으로써 초기 생산 비용을 절감할 수 있으며, 주문형 제작 방식으로 재고 부담을 줄이고 시장 수요에 유연하게 대응할 수 있다. 이로 인해 창업 초기의 경제적 부담을 덜고, 빠른 제품 테스트와 수정이 가능하다. 또한, 개인 사용자들도 소규모 작업 공간에서 필요한 부품이나 도구를 저비용으로 직접 제작할 수 있어 외주 제작에 비해 비용과 시간을 동시에 절감할 수 있다. 프린터의 휴대성 덕분에 이동 중에도 손쉽게 제품을 제작하거나 수정이 가능해 작업 환경의 제약을 크게 줄일 수 있다. 이 프린터는 취미 활동, 모델 제작, DIY 프로젝트에서도 비용 효율적인 해결책을 제공한다.
   
3. 교육 및 학습 지원
   학교, 교육 기관 및 메이커 스페이스 등에서 소형 3D 프린터는 실습 중심의 교육을 지원하는 핵심 도구로 자리잡고 있다. 2020년 기준, 전국 학교의 43.5%인 5,222개교에서 3D 프린터를 보유하고 있을 정도로, 3D 프린터는 이제 보편적인 교육 기자재로 활용되고 있다[11]. 이러한 프린터는 고가의 장비 없이도 실제 설계와 제작을 경험할 수 있는 기회를 제공하며, 학생들이 창의적 사고와 기술적 역량을 키우는데 중요한 역할을 한다. 또한, 휴대성이 뛰어난 소형 프린터는 다양한 장소에서 실습할 수 있는 기회를 제공해, 한정된 교육 공간을 벗어나 더욱 유연한 학습 환경을 조성할 수 있다. 더불어, 교육 비용의 절감의 효과도 있어 학교나 교육 기관에서 예산에 부담을 덜고도, 혁신적인 학습 도구를 활용해 더 많은 학생들에게 창의적 기술 학습의 기회를 제공할 수 있다. 실습 중심의 교육을 통해 학생들이 실제 프로젝트와 설계 과정을 경험하며, 이론과 실무를 동시에 익힐 수 있는 학습 환경이 조성된다.
   

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

추진 계통도

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

1. 하드웨어 측면

2. 소프트웨어 측면

목적 계통도

QFD(Quality Function Deployment)

설계 사양

1. 휴대성 향상
   • 소형화: 전체 프린터 부피를 15,000cm³ 이하로 유지하여 백팩 크기의 절반 이하로 설계한다. 이를 위해 구조를 최대한 단순화하고, 필수 부품만 사용하여 부품 수를 최소화한다.
   • 경량화: 경량 소재를 사용하여 프레임을 설계하고, 효율적인 설계로 프린터 전체 무게를 7kg 이하로 제한한다.
2. 출력 성능 확보
   • 출력 해상도: 3D 프린터의 해상도를 500 마이크론(0.5mm) 이하로 유지하도록 스텝 모터와 감속비를 최적화한다.
   • 제어 정확도: ±0.1mm 이내의 위치 정확도를 달성하도록 설계하여 특정 지점에서의 모터 제어가 정밀하게 이루어지도록 한다.
   
3. 안정성
   • 기구적 안정성: 프린터 기구부 및 전자장비의 변형이 0.1mm 이내가 되도록 설계한다.
   • 소프트웨어 시스템 안정성: 호스트 장치와의 통신이 끊겼을 때에도 정상 작동해야 하며, 재연결 시 발생하는 오버헤드가 없어야 한다. 전자장비를 제어할 시, 실시간 제어 및 제어 명령 전달 실패가 일어나지 않도록 한다.
   
4. 사용 편의성
   • 간편한 조작: 모바일 앱을 통해 모든 제어가 가능하도록 하고, 사용자 인터페이스(UI)를 직관적으로 설계하여 앱 사용이 편리하도록 한다.
   • 유지보수 용이성: 부품의 손상 및 마모를 최소화하도록 설계하며, 소모품 교체가 필요할 경우 저렴하고 쉽게 교체할 수 있는 부품을 사용한다.
   

개념설계안

개념설계안

1. 하드웨어 설계안: 5절 링크 구동 방식

설계안 1: 모터 샤프트 직결 방식

1. 매커니즘
• 5절 링크의 Proximal link(축과 직접 연결되는 링크)가 모터 샤프트에 직결되는 방식
• 샤프트에 압입 혹은 커플러를 이용해 체결

2. 장점
• 링크가 샤프트에 직접 체결됨으로써 구조가 매우 단순함
• 부품 개수가 적어 고장 발생 시 부품 교체가 편리함

3. 단점
• 감속 장치가 존재하지 않으므로 해상도가 낮음
• 링크를 회전할 때 사용되는 토크가 약함
• 모터에 축방향 하중이 지속적으로 작용하여 모터의 내구성에 악영향을 끼침

설계안 2: 타이밍 벨트 사용

1. 매커니즘
• 모터와 Proximal link에 타이밍 풀리를 결합하고 벨트를 사용하여 동력을 전달하는 방식
• 기존 3D프린터(직선운동 방식)에서 가장 많이 사용하는 매커니즘

2. 장점
• 감속비를 설정할 수 있어 해상도와 토크를 높일 수 있음
• 백래쉬가 없어 유격이 없고 정확도가 높음
• 진동이 발생하지 않고 소음이 없음

3. 단점
• 구조적으로 가장 복잡하며 고장 가능성이 높아지고 부피가 커짐
• 벨트의 장력으로 인해 프레임에 모멘트 발생
• 오랜 시간 사용 시 벨트가 마모될 수 있음

설계안 3: 기어 사용

1. 매커니즘
• 모터와 Proximal link에 기어를 결합하여 동력을 전달하는 방식

2. 장점
• 감속비를 설정할 수 있어 해상도와 토크를 높일 수 있음
• 타이밍 벨트 사용 매커니즘에 비해 구조적으로 단순함

3. 단점
• 백래쉬로 인해 정확도가 떨어짐
• 링크의 회전축과 모터 사이의 거리를 조절할 수 없음
• 소음 및 진동 발생 가능

2. 소프트웨어 설계안

설계안 1: 중앙집중형 시스템 구조

1. 시스템 구성
• 라즈베리파이가 모든 연산과 제어를 담당하는 단일 시스템 구조
• 블루투스 모듈을 통한 모바일 앱 직접 연결
• 하나의 통합 프로그램에서 G-code 처리 및 모터 제어 수행

2. 주요 기능
• G-code 파일 직접 수신 및 처리
• 실시간 모터 제어 신호 생성
• 모바일 앱과 직접 통신하여 상태 정보 교환
• 단일 프로세스에서 모든 기능 통합 관리

3. 장단점
• 장점: 시스템 구조가 단순하여 개발 및 유지보수 용이, 하드웨어 비용 절감, 부품 수 최소화로 휴대성 향상
• 단점: 프로세서에 부하 집중, 실시간 제어의 신뢰성 저하 우려, 시스템 확장성 제한

설계안 2: 계층형 분산 제어 시스템

1. 시스템 구성
• 상위 제어기(라즈베리파이): 통신 및 G-code 처리 담당
• 하위 제어기(아두이노): 실시간 모터 제어 전담
• 제어기 간 시리얼 통신으로 명령 전달

2. 주요 기능
• 상위 제어기: 블루투스 통신처리, G-code 해석 및 경로 계산, 모바일 앱 인터페이스 제공
• 하위 제어기: 실시간 모터 제어, 센서 데이터 처리, 긴급 정지 등 안전 기능

3. 장단점
• 장점: 안정적인 실시간 제어 가능, 시스템 부하 분산, 각 기능의 독립적 개발 가능
• 단점: 하드웨어 구성 복잡, 제어기 간 통신 오버헤드, 전체 시스템 비용 증가

설계안 3: 웹 기반 원격 제어 시스템

1. 시스템 구성
• 웹서버 기반의 제어 시스템
• PWA(Progressive Web App) 방식의 모바일 인터페이스
• REST API를 통한 통신 구조

2. 주요 기능
• 웹 기반 실시간 모니터링
• G-code 파일의 웹 스토리지 저장
• 브라우저 기반 원격 제어
• 다중 사용자 접근 관리

3. 장단점
• 장점: 플랫폼 독립적인 접근성, 별도 앱 설치 불필요, 손쉬운 기능 업데이트
• 단점: 네트워크 의존성, 실시간 제어의 지연 발생, 보안 취약점 관리 필요

평가 내용 및 결과

1. 평가 기준

• 하드웨어
  

• 소프트웨어
  

2. 평가 내용 및 결과

• 하드웨어
  

각 개념안을 검토한 결과, 본 프로젝트의 목적에 부합하는 휴대용 3D 프린터로서 가장 중요한 휴대성 측면에서는 타이밍 벨트 방식이 다소 부족하지만, 출력 성능 면에서 매우 우수할 것으로 판단된다. 다른 개념안들에 비해 약간의 크기 증가가 있지만, 출력물의 품질과 정밀도가 크게 향상되어 3D 프린터로서 필수적인 성능을 보장할 수 있다.

• 소프트웨어
  

각 설계안을 검토한 결과, 본 프로젝트의 목적인 휴대용 3D 프린터의 특성상 안정적인 실시간 제어와 시스템 신뢰성이 가장 중요한 요소로 판단된다. 따라서 설계안 2의 계층형 분산 제어 시스템이 가장 적합할 것으로 예상된다. 실시간 제어의 안정성을 확보하면서도, 상위 제어기를 통해 사용자 편의성을 제공할 수 있게 된다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

이론적 계산

• 5-bar SCARA(PARALLEL SCARA) 정기구학(Forward Kinematics)
  
  
  
  

정기구학의 경우 모터 A, B의 좌표인 P_A, P_B 그리고 두 모터 사이의 거리인 offset, 각 모터에 주어진 각도인 θ_A, θ_B, 그리고 첫번째, 두번째 링크의 길이인 L_1, L_2가 주어졌을 때 이를 이용하여 End-Effector의 좌표인 P_E를 구하는 과정이다.

1. 모터 A에 결합된 첫번째 링크의 끝점인 P_1, 모터 B에 결합된 첫번째 링크의 끝점인 P_2 좌표 구하기

2. P_1과 P_2의 중점인 P_C 구하기

3. P_C 점을 지나면서 벡터 P_1 P_2에 직교하는 벡터 n 구하기

4. End-Effector의 좌표 P_E 구하기

• 5-bar SCARA(PARALLEL SCARA) 역기구학(Inverse Kinematics)
  
  
  
  

역기구학의 경우 모터 A, B의 좌표인 P_A, P_B 그리고 두 모터 사이의 거리인 offset, 첫번째, 두번째 링크의 길이인 L_1, L_2와 End-Effector의 좌표인 P_E가 주어졌을 때 이를 이용하여 각 모터에 주어진 각도인 θ_A, θ_B를 구하는 과정이다.

1. a, b 길이 구하기

2. (1)번 삼각형의 변 길이(a, b, offset)를 이용한 α, γ 구하기

3. (2)번 삼각형의 변 길이(L_1, L_2, a)를 이용한 β 구하기

4. (3)번 삼각형의 변 길이(L_1, L_2, b)를 이용한 δ 구하기

5. θ_A와 θ_B 구하기

시뮬레이션

• 5-bar SCARA(PARALLEL SCARA)의 작업 공간 시뮬레이션
  

3D 프린터에 사용될 히팅 베드의 크기는 150mm x 150mm이며, 실제 사용 가능한 크기는 120mm x 120mm이다. 이 공간을 전부 사용 가능한지 판단하기 위해 5-bar SCARA의 끝점이 도달할 수 있는 작업 공간을 확인할 수 있는 프로그램을 정기구학과 하드웨어 설계에 따라 작성하였다.

가정:

• 히팅 베드의 사용 가능한 영역의 왼쪽 하단 끝점 좌표: (0, 0)

• 모터 1의 좌표: (38, -48.45)

• 링크 1, 링크 2의 길이: 90mm, 113mm

• 모터 사이 거리: 44mm

• 모터 1의 각도 범위: 45°~250°

• 모터 2의 각도 범위: -75°~135°

결과:

시뮬레이션 결과는 다음과 같으며 (0, 0) ~ (120, 120)의 직사각형 공간에 5-bar SCARA의 끝점이 위치할 수 있음을 확인했다. 이를 통해서 현재의 하드웨어 설계의 타당함을 확인하였다.

• 히팅베드와 히팅베드 마운트 사이의 열전달 시뮬레이션
  
  
  
  

프로토타입을 제작하는 과정에서 히팅베드의 열이 PLA 소재로 제작된 히팅베드 마운트로 전달되어 열변형이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 열전달 시뮬레이션을 통해 해결책을 모색하였다. 해석에는 ANSYS Mechanical을 사용하였다. 경계조건은 다음과 같다.

경계조건:

• 히팅베드에 80°C 온도 부여

• Contact 조건: 모든 요소에 대해 Fixed

• 자연대류를 가정하여 온도 22°C에서 열전달계수 10 W/m²°C

결과:

히팅베드의 열이 볼트와 스프링을 통해 히팅베드 마운트로 전도되는 것을 확인하였다. 마운트와 볼트가 접촉하는 지점에서의 온도는 67.6°C로 PLA가 50°C 이상에서 열변형이 시작되는 것을 감안했을 때, 열변형이 발생하고 있다는 것을 확인하였다. 이를 해결하기 위해 볼트의 소재를 바꿔 히팅베드의 열이 전도되는 것을 줄이는 방안을 생각하였다. 따라서 볼트의 소재를 폴리카보네이트로 바꾼다고 가정하고 해석을 다시 진행하였다.

해석 결과 볼트의 소재를 바꾸는 것 만으로도 히팅베드 마운트의 온도가 24.5°C까지 떨어지는 것을 확인하였다. 스프링의 소재는 이전 해석과 같이 강철 소재를 사용했음에도 단면적이 작고 길이가 길어 열전달이 많이 발생하지 않는 것으로 판단하였다. 따라서 볼트의 소재를 폴리카보네이트로 바꾸는 것으로 해당 문제를 해결하였다.

기구부 설계

조립도

• 사시도
  

첫 번째 조립도에는 제품의 전체적인 사시도를 나타내었다. 사용된 부품 리스트와 그 번호를 나타내어 사용된 부품을 한 번에 찾을 수 있도록 하였다. 출력물의 높이 조절은 히팅베드(8)가 위아래로 움직이며 조절되는 방식을 사용하였고, 히팅베드에는 경첩(9)을 사용하여 접었다 펼 수 있도록 하였다. SMPS(23), 아두이노(21) 등의 전자장비는 제품의 뒷판에 붙이도록 하였다.

• 단면도(1)
  

두 번째 조립도는 제품의 전체 크기와 스테핑 모터축(1), 링크축(14)의 체결방식, 히팅베드의 이동 매커니즘을 확인할 수 있는 단면도이다. 제품의 크기는 폭 250mm, 높이 300mm, 두께는 접었을 시 120mm정도로 설계하였다. 스테핑 모터축 벨트 풀리(13)는 스테핑 모터(1)와 D컷에 스크류를 조이는 방식으로 결합되는 것을 알 수 있다. 링크축 샤프트(14)는 본체와 커플러(17)를 사용해 면압을 가하는 방식으로 체결되며, 샤프트와 본체 사이에는 볼베어링(18)이 사용하여 원활하게 회전할 수 있도록 하였다. 히팅베드는 웜기어드 스테핑 모터(6)를 사용해 위아래로 움직인다. 웜기어드 스테핑 모터(6)는 회전하며 플랜지 너트(25)를 위아래로 움직이고, 플랜지 너트(25)는 히팅베드 마운트와 결합되어 히팅베드가 위아래로 움직이게 된다. 히팅베드 마운트는 롤러 베어링(11)을 통해 두 개의 본체 샤프트(5)를 직선운동하므로 뒤틀리지 않고 위아래로 움직일 수 있다.

• 단면도(2)
  

세 번째 조립도는 링크 사이의 체결을 확인할 수 있는 단면도이다. Proximal link(2)는 링크축 샤프트(14)에 압입되는 방식으로 고정한다. Proximal link(2)와 Distal link(4)는 볼트(27)와 너트(28)를 사용하여 체결하며, 연결부에는 스러스트 베어링(26)을 사용하여 원활한 회전운동이 가능하도록 하였다. 스러스트는 스러스트 베어링(26)을 사용하여 원활한 회전운동이 가능하도록 하였다. 스러스트 베어링(26)은 축방향으로 하중이 주어지면 원환 방향으로의 유격이 사라진다. 따라서 볼트(27)와 너트(28)을 강하게 체결함으로써 연결부에서 발생할 수 있는 유격을 제거하였다. Distal link(4)와 핫엔드(15)는 핫엔드(15)에 있는 그루브와 Distal link에 면압을 가해 체결하는 방식을 사용하였다.

조립 순서

조립 과정은 크게 동력부와 링크로 나누어서 설명할 수 있다. 아래 그림의 번호대로 조립과정과 결합관계에 대해 설명하였다.

• 동력부 조립 순서
  

볼베어링을 본체에 압입한다. 볼베어링은 링크축 샤프트가 원활하게 회전할 수 있도록 한다.

커플러를 볼베어링 사이에 위치시킨다. 이 때, 와셔를 사용하여 높이를 조절한다.
링크축 샤프트를 본체에 삽입한다.

커플러의 클램프를 조여서 링크축 샤프트를 고정시킨다.

링크축 벨트 풀리를 샤프트의 D컷에 맞게 삽입한다. 이 때, 바닥면에 와셔를 사용하여 원활하게 회전할 수 있도록 한다.

링크축 벨트 풀리의 스크류를 조여 고정시킨다.

타이밍 벨트를 건다.

스테핑모터와 본체를 볼트를 이용해 고정한다. 이 때, 스테핑 모터를 바깥쪽 프리로드가 가해진 채로 고정시켜 벨트 장력을 조절한다.

• 링크 조립 순서
  

Proximal link를 링크축 샤프트에 압입한다.

엔드스탑 스위치를 순간접착제를 사용하여 Proximal link에 고정한다.

스러스트 베어링을 Distal link(1,2)에 압입한다.

Distal link(1,2)를 Proximal link에 삽입한다. 이 때, 스러스트 베어링이 Proximal link의 그루브를 따라 삽입되도록 한다.

볼트와 너트를 사용하여 체결한다. 적당한 수준의 프리로드를 가하여 유격없이 원활하게 회전하도록 한다.

부시를 순간접착제를 사용하여 Distal link(2)에 고정한다.

핫엔드를 부시 사이로 끼워넣고 핫엔드의 그루브와 Distal link(1)의 그루브를 맞춘다.

하우징을 끼우고, 볼트와 너트를 사용하여 면압을 가해 핫엔드를 고정한다.

부품도

기성품을 사용하지 않고 직접 제작하는 부품은, 본체를 제외하면 네 개의 링크와 히팅베드 마운트가 있다. Proximal link는 대칭에 가까우므로 한 개의 도면만 작성하여 총 네 개의 부품도를 작성하였다. 부품도에는 주요한 치수와 소재를 기재하였다. 제작하는 모든 부품은 큰 하중을 받는 구조물이 아니므로 3D프린팅을 사용하여 제작한다.

• Proximal link
  

링크축 홀과 스러스트 베어링 홀 사이의 간격은 90mm다. 이는 링크가 완벽하게 접히며, 150mm x 150mm의 출력물을 제작할 수 있도록 실험적으로 구한 수치이다. 링크축 홀은 D컷에 압입될 수 있도록 하였으며, 3D 프린터의 열수축을 감안하여 0.2mm 크게 제작하였다. 스러스트 베어링 홀은 M8규격의 볼트가 삽입될 수 있도록 9mm로 설계하였으며, 안쪽에는 외경 16mm의 스러스트 베어링이 압입될 수 있도록 0.2mm의 공차를 두고 설계하였다. 그루브는 5mm로 설계하여 스러스트 베어링이 원할하게 삽입될 수 있도록 하였다.

• Distal link(1)
  

스러스트 베어링 홀과 핫엔드 홀 사이의 간격은 113mm이다. 이는 Proximal link와 마찬가지로 실험적으로 구하였다. 스러스트 베어링 홀은 외경 16mm의 스러스트 베어링이 강하게 압입될 수 있도록 0.15mm의 공차를 두고 설계하였으며 그 사이로 M8 규격의 볼트가 삽입될 수 있도록 9mm의 그루브를 설계하였다. 핫엔드 홀은 핫엔드의 6mm 그루브에 면압을 가할 수 있도록 0.1mm의 공차를 두고 설계하였으며, 하우징을 이용해 클램핑할 수 있도록 0.3mm의 편심을 두었다. 이는 클램핑할 때 커플러의 슬릿과 같은 역할을 할 것이다.

• Distal link(2)
  

반대쪽 Distal link도 전반적인 치수나 형상은 유사하다. 다만, 부시를 결합하기 위한 홀이 있다는 것이 차이점이다. 부시홀은 외경 21mm의 부시가 삽입될 수 있도록 0.2mm의 공차를 두고 설계하였다. 중간 평면에는 첫 번째 Distal link가 운동할 수 있는 6.8mm의 공간이 있으며 링크의 처짐이 발생하지 않도록 보강재 형상을 적용하였다.

• 히팅베드 마운트
  

히팅베드 마운트는 150mm x 150mm 크기의 히팅베드를 사용할 수 있도록 설계하였다. 히팅베드의 레벨링을 조절하기 위한 M3 규격의 볼트가 삽입될 수 있도록 직경 3.2mm의 홀을 140mm 간격으로 배치하였다. 또한, 경첩에 사용되는 직경 2mm의 나사가 탭을 내면서 들어갈 수 있도록 1.9mm의 홀을 적용하였다. 히팅베드 마운트는 자석을 이용하여 본체에 고정하므로 자석이 들어갈 홀 역시 설계하였다.

제어부 및 회로 설계

이론적 계산

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

앱 화면 구성

홈 화면	설정 화면	출력 가능 파일 목록 화면
블루투스 연결 화면	노즐 및 베드온도 대시보드	진행 상황 표시 화면

포스터

내용

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용